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二代摺疊面板再突圍 軟性手機蓋板拼柔軟又耐刮

市場對於手機產品要求之嚴苛,恐怕超出了實驗室所有的應用模擬。從2018年底柔宇(Royole)推出外折的手機「柔派」起,到三星(Samsung)推出Galaxy Fold,折疊手機面板的可靠度一直都受到市場質疑(圖1),導致各大手機廠要不重新設計,要不縮小上市規模,藉以爭取更多的研發時間來改善已經浮現的問題。一年過去了,手機廠在2020年初發表捲土重來的折疊手機,期待以新的概念與新的解決方案,重新為手機市場打開一條血路。 圖1 第一代折疊手機面板可靠度受到市場質疑 軟性OLED顯示技術在2013年三星推出Galaxy Round,以聚醯亞胺(Polyimide, PI)取代玻璃基板以後逐漸成熟,後續推出的Galaxy Edge系列都採用軟性OLED面板。不過,光有軟性顯示面板還不足以建構一個折疊手機顯示螢幕;折疊顯示模組除了面板外,尚包括觸控、圓偏光片(Circular Polarizer)、蓋板(Cover Window)等元件,這些元件都必須要滿足可折疊的功能需求。其中,最大的挑戰還是來自蓋板,蓋板承載著防刮、耐磨、防眩光、抗反射、抗汙等功能。 過去使用玻璃蓋板,這些功能都可以輕易達成,只是玻璃無法達到小曲率半徑折疊要求,因此只能從軟性高分子材料中尋找能達到20萬次以上小半徑撓曲的材料,其中無色聚醯亞胺材料(Colorless Polyimide, CPI)玻璃轉化溫度高,具有動態撓曲(Dynamic Bending)、靜態撓曲(Static Bending)的安定性,符合蓋板材料折疊需求。 然而,CPI材質表面不耐刮,需要再經過表面可撓硬膜塗層來達到防刮的目的。筆者去年即提到,從材料應用的角度來看,符合軟性可折疊、高透光、耐磨刮特性的高分子材料應用,折疊手機面板應用恐怕是第一個,其可靠性有待實際應用的考驗。果不其然,2019年的許多失效案例與模組的蓋板有關,因此,手機廠持續針對蓋板可靠度問題,提出解決方案,期待新產品能有所改善。 2020年,市面上銷售的折疊手機廠商中柔宇沒有推出新機,新加入的摩托羅拉(Motorola)推出貝殼機Razr,巧的是,三星也推出背蓋式的Galaxy Z Flip,有志一同主打輕巧訴求;華為則推出Mate Xs,算是Mate X的小改版,其面板規格整理如表1。 第二代折疊手機在行銷上都特別強調折疊蓋板的先進性,以扭轉市場對手機可靠度不佳的印象。三星宣稱採用先進的超薄玻璃(Ultra Thin Glass, UTG)材質,而華為則強調用了雙層比黃金還貴的CPI,撇開廣告詞句,其實兩者都試圖強調產品在折疊蓋板上有極大的改善,至於改善得如何,則仍然有待市場考驗。 蓋板兼顧柔軟/可折疊/耐刮 技術挑戰大 手機蓋板是手機與外部接觸的部位,承擔影像呈現、觸控訊號輸入與保護面板模組的功能,這些功能所代表的技術需求,包含高光穿透率、低霧度、抗反光、抗眩光、抗汙等光學特性,以及防刮、耐磨、抗衝擊等機械特性;對折疊手機的蓋板來說,必須再加上動態折疊與靜態折疊的可撓特性,也就是說軟性蓋板材料既要硬得可以耐磨刮,又要軟得可以耐折曲,這些互相扞格的特性需求在材料學上是極大的挑戰(圖2)。 圖2 折疊蓋板是手機與外部接觸的部位承擔諸多互相扞格之特性需求 因此玻璃機械強度雖強,但是可撓性(Flexibility)不佳(圖3)。降低玻璃的厚度有助於增加玻璃的可撓性,以康寧(Corning)Willow玻璃為例,厚度50μm就比500μm更能承受彎曲半徑較小的折疊(圖4)。 圖3 施以微小的應變在玻璃上即產生極大的應力 圖4 薄玻璃可以承受較小的彎曲半徑 同樣的道理,在相同的彎曲半徑下,當玻璃變薄時,薄玻璃彎曲破裂的機率比厚玻璃低很多(圖5)。然而,令人沮喪的是,即使玻璃厚度小於100μm,在彎曲到10毫米時,該玻璃材料破裂的機率仍高於50%,這對於折疊手機來說,面臨設計上的挑戰,因為當折疊手機以輕薄為設計訴求時,其折疊半徑要求到5毫米以下,內折時更要求到3毫米以下的工程規格,故折疊蓋板對玻璃材質來說是一個非常大的挑戰。 圖5 不同彎曲半徑,玻璃材料破裂之機率 當全世界玻璃大廠都在努力解決可折疊玻璃之際,面板廠將目光移到了可撓性較佳的高分子材料,長鏈狀高分子結構的彈性變形能力可滿足可撓性的需求。具有高光穿透度、低霧度等良好光學特性的高分子材料很多,如聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Terephthalate, PET)、環烯烴聚合物(Cyclo Olefin Polymer, COP)等,只是這些材料的玻璃轉化溫度(Glass...
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二代機捲土重來再掀話題 折疊手機蓋板效能為火紅要件

然而,市場對於產品要求之嚴苛,恐怕超出了實驗室所有的應用模擬。從2018年底柔宇推出外折的手機“柔派”起,到三星推出Galaxy Fold,折疊手機面板的可靠度一直都受到市場質疑(圖1),導致各大手機廠要不重新設計,要不縮小上市規模,藉以爭取更多的研發時間來改善已經浮現的問題。一年過去了,手機廠在2020年初發表捲土重來的折疊手機,期待以新的概念與新的解決方案,重新為手機市場打開一條血路。 圖1  第一代折疊手機面板可靠度受到市場質疑(圖片來源:https://www.gsmarena.com/) 軟性OLED顯示技術在2013年三星推出Galaxy Round,以聚醯亞胺(Polyimide, PI)取代玻璃基板以後逐漸成熟,後續推出的Galaxy Edge系列都採用軟性OLED面板。 不過,光有軟性顯示面板還不足以建構一個折疊手機顯示屏幕;折疊顯示模組除了面板外,尚包括觸控、圓偏光片(Circular Polarizer),蓋板(Cover Window)等元件,這些元件都必須要滿足可折疊的功能需求。其中,最大的挑戰還是來自蓋板,蓋板承載著防刮、耐磨、防眩光、抗反射、抗汙等功能。 過去使用玻璃蓋板,這些功能都可以輕易達成,只是玻璃無法達到小曲率半徑折疊要求,因此只能從軟性高分子材料中尋找能達到20萬次以上小半徑撓曲的材料,其中無色聚醯亞胺材料(Colorless Polyimide, CPI)玻璃轉化溫度高,具有動態撓曲(Dynamic Bending)、靜態撓曲(Static Bending)的安定性,符合蓋板材料折疊需求。 然而,CPI材質表面不耐刮,需要再經過表面可撓硬膜塗層來達到防刮的目的。筆者去年即提到,從材料應用的角度來看,符合軟性可折疊、高透光、耐磨刮特性的高分子材料應用,折疊手機面板應用恐怕是第一個,其可靠性有待實際應用的考驗。果不其然,2019年的許多失效案例與模組的蓋板有關,因此,手機廠持續針對蓋板可靠度問題,提出解決方案,期待新產品能有所改善。 2020年,市面上銷售的折疊手機廠商中柔宇沒有推出新機,新加入的摩托羅拉推出貝殼機Razr,巧的是,三星也推出背蓋式的Galaxy Z Flip,有志一同的打輕巧訴求;華為則推出Mate Xs,算是Mate X的小改版,其面板規格整理如表1。 表1 市售第一代與第二代折疊手機規格比較表 第二代折疊手機在行銷上都特別強調折疊蓋板的先進性,以扭轉市場對手機可靠度不佳的印象。三星宣稱採用先進的超薄玻璃(Ultra Thin Glass, UTG)材質,而華為則強調用了雙層比黃金還貴的CPI,撥開廣告詞句,其實兩者都試圖強調產品在折疊蓋板上有了極大的改善,至於改善得如何,則仍然有待市場考驗。 軟性蓋板技術挑戰大 手機蓋板是手機與外部接觸的部位,承擔影像呈現、觸控訊號輸入與保護面板模組的功能,這些功能所代表的技術需求,包含高光穿透率、低霧度、抗反光、抗眩光、抗汙等光學特性,以及防刮、耐磨、抗衝擊等機械特性;對折疊手機的蓋板來說,必須再加上包括動態折疊與靜態折疊的可撓特性,也就是說軟性蓋板材料既要硬得可以耐磨刮,又要軟的可以耐折曲,這些互相扞格特性需求在材料學上是極大的挑戰(圖2)。 圖2 折疊蓋板是手機與外部接觸的部位承擔諸多互相扞格之特性需求 玻璃一直以來都是手機蓋板的主要材料,能夠輕易滿足光學性與機械性功能需求。然而,玻璃基本分子結構是如圖3所示的矽酸鹽,這種結構註定玻璃材料易碎的特性,當然,玻璃材料的成分多少會影響其脆性,但是,大體而言,相較於金屬或是塑膠,玻璃材料在微小的應變下即產生極大的應力而破碎如圖4(1)所示。 圖3 玻璃之矽酸鹽結構   圖4 施以微小的應變在玻璃上即產生極大的應力 因此玻璃機械強度雖強,但是可撓性(Flexibility)不佳。降低玻璃的厚度有助於增加玻璃的可撓性,以康寧Willow玻璃為例,厚度50μm就比500μm更能承受彎曲半徑較小的折疊如圖5(1)所示。     圖5 薄玻璃可以承受較小的彎曲半徑 同樣的道理,在相同的彎曲半徑下,當玻璃變薄時,薄玻璃彎曲破裂的機率比厚玻璃低很多,如圖6(1)所示。然而,令人沮喪的是,即使玻璃厚度小於100μm,在彎曲到10毫米時,康寧Willow玻璃材料破裂的機率仍高於50%,這對於折疊手機來說,面臨設計上的挑戰,因為,當折疊手機以輕薄為設計訴求時,其折疊半徑要求到5毫米以下,內折時更要求到3毫米以下的工程規格,故折疊蓋板是對玻璃材質來說一個非常大的挑戰。 圖6 不同彎曲半徑,玻璃材料破裂之機率 當全世界玻璃大廠都在努力解決可折疊玻璃之際,面板廠將目光移到了可撓性較佳的高分子材料,長鏈狀高分子結構的彈性變形能力可滿足可撓性的需求。 具有高光穿透度、低霧度等良好光學特性的高分子材料很多,如聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene Terephthalate, PET)、環烯烴聚合物(Cyclo Olefin Polymer ,COP)等,只是這些材料的玻璃轉化溫度(Glass...
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由折疊手機看顯示器發展趨勢 群雄競逐印刷式OLED技術為哪樁?

・LG Chem、JOLED、友達,近期紛紛投入印刷式OLED技術布局,引發關注。 ・折疊手機是OLED應用新美地,但能成功跨入大尺寸才是OLED問鼎主流地位的關鍵。 ・目前大尺寸OLED量產最大瓶頸在於蒸鍍段生產成本高昂,而印刷式OLED製造技術則具成本優勢,惟亦有挑戰待解。 ・印刷式OLED是OLED技術能夠真正擴大應用,甚至將來取代LCD成敗的里程碑。 圖片來源:Kateeva 近日,外電報導,LG Chem收購美國杜邦(DuPont)公司「可溶性OLED」材料技術,此次的收購範圍包括杜邦的可溶性OLED材料技術與工程專利等無形資產,以及研發與生產設備等有形資產;日本「JOLED」近日也宣布籌得了 255 億日圓資金,於千葉事業所內開始構築全球首見採用「印刷式OLED」技術製作面板生產線;報載國內面板大廠友達已在林口架設印刷式OLED實驗線,一時間,似乎又有新的顯示技術興起,引起大家的關注。 折疊手機的應用使OLED找的一個可以擺脫LCD競爭的產品空間,不過手機面板的面積畢竟有限,無法支撐一個顯示產業,因此,OLED從小尺寸的應用在技術成熟後進入中大尺寸的市場是必然的趨勢,也是主流顯示器技術能夠存活的必然途徑。然而,以目前OLED的蒸鍍製程工藝推演可以發現,未來中大尺寸OLED與LCD的競爭,成本是一個難以跨越的瓶頸。 目前主流的OLED製程需要非常昂貴的精密真空蒸鍍設備,在大面積的高世代,除了可以預期精密真空蒸鍍設備的昂貴天價以外,在技術上,大面積高精度遮罩技術是否能夠突破仍不確定;此外、遮罩蒸鍍製程的發光有機材料使用率非常低,致使OLED蒸鍍段的生產成本非常的高。 採用溶液型的噴墨圖案化技術是克服材料使用率低落問題最直接有效的解決方案;噴墨印刷不必在真空進行,高世代大型噴墨設備價格比真空設備低廉,採用按需供給(Drop on Demand)的圖案化方式,材料使用率可超過90%。在高世代設備價格與提高材料使用率的考量下,大尺寸OLED的製造採用溶液式的噴墨印刷製程是最佳的選擇。據此,一直都以大尺寸OLED為產品的LG,自然要布局溶液型的製程技術,而日本面板廠商為擺脫中國大陸廠商在顯示產業的纏鬥,自然也選擇開始踏入中國業者著力未深的下世代技術。 溶液型的噴墨OLED圖案化技術發展已經超過15年,台達電投資的翰立光電在2004年即與英國CDT合作,引進噴墨印刷彩色OLED技術,惟當時LCD發展正興盛,彩色OLED成本高,技術不成熟,無法在市場上與LCD相抗衡而黯然退場。然而,噴墨印刷OLED相關的研發並沒有停止,在材料上,有DuPont、Sumitomo、Merck等,在設備上,包括ULVAC、TEL、Kateeva等國際大廠持續投入,致使噴墨印刷OLED技術逐漸產業化。友達在2014年即以噴墨印刷技術展示65吋彩色面板;2017年中JOLED就交予華碩21.6吋噴墨印刷4K OLED的樣機;2018年包括華星光電展示31吋UHD面板、京東方展示55吋面板,這些跡象都顯示,面板廠已開始布局下世代的製程技術以解決未來OLED在大尺寸將面臨的瓶頸。 噴墨印刷OLED製程技術對設備、材料依存度非常高,噴墨印刷雖然已經發展很久,但是應用到具有光電特性需求的薄膜製造仍有許多技術需要克服。過去發展最大的瓶頸在於OLED材料與噴墨設備的搭配無法優化,導致噴墨印刷OLED的量產進展緩慢。近年來,由於面板廠受到未來需求的驅動,加上國際間材料與設備廠的合作,使噴墨印刷OLED的相關技術發展逐漸加快,估計在面板廠積極帶動下,印刷OLED的產品上市時程指日可待。 OLED在折疊手機的應用是OLED技術存活下來的關鍵,而印刷式OLED是OLED技術能夠真正擴大應用,甚至將來取代LCD成敗的里程碑。 (本文作者陳來成博士為艾圖雅科技總經理,專長為柔性光電與柔性顯示技術,在台灣光電業界有數十年資歷) 本文作者其他文章推薦: ・折疊手機引爆新話題 ・軟性基板/薄膜漸成熟 折疊顯示器喜迎新商機 ・(更新)折疊手機是OLED與LCD的分水嶺 ・技術瓶頸逐步攻克 奈米銀線應用路更寬 ・軟性電子產品崛起 軟性透明導電膜躍居關鍵材料 ・奈米壓印技術助力 捲對捲軟性基板製程前景可期 ・軟性電子前景可期 新興材料群雄並起 ・相關計畫/資金前仆後繼投入 軟性電子四大應用商機可期
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(更新)折疊手機是OLED與LCD的分水嶺

是不是需要折疊手機,在手機用戶的體驗上見仁見智,但是無疑的是折疊手機為OLED顯示技術找出一個取代LCD的突破口。去年11/1大陸柔宇搶先宣布發售全球第一支折疊手機FlexPai,一時間包括三星、小米、華為等手機大廠都傳出2019年推出折疊手機的消息,果不其然,三星在今年2/20舊金山舉辦的10週年新品發表會上推出萬眾矚目的折疊手機Galaxy Fold、華為也於2月24日西班牙巴塞隆納MWC大會發表其折疊手機,雖然這些折疊手機價格都非常昂貴,但在手機市場逐漸飽和,5G通訊開始萌芽之際,折疊手機是刺激換機消費的一個話題。 雖然大家矚目的是手機功能的性價比,但從顯示面板發展的技術角度來看,關鍵性的零件「軟性OLED面板」技術的突破,是折疊手機能夠上市關鍵中的關鍵。軟性面板技術是液晶面板LCD與OLED爭奪市場的分水嶺,LCD由於光學特性的限制,無法做曲率半徑非常小的撓曲,因此OLED將以其可撓的特性在折疊手機應用勝出,並以此產品做基礎,逐步侵蝕LCD的市場,這個技術競爭,與當年LCD以筆記型電腦為產品基礎而將CRT擠出市場軌跡相仿。 OLED發展已近20年,以玻璃為基材的OLED技術,在三星的手機產品帶動下已經有一定的基礎,近年來,大陸在面板產業發展急起直追,LCD部分,產線已經來到10.5/11代,在OLED投入更是不遺餘力,規劃與興建中具有軟性OLED生產能力的生產線高達11條,顯示大陸對未來軟性OLED顯示發展的企圖心。因此,折疊手機的競爭除了是LCD與OLED的技術競爭外,背後也多少代表著韓國與大陸在軟性OLED技術的競爭。 下表是新聞發表的手機規格比較表,從折疊顯示屏幕的比較來看,這些屏幕在折疊方式、面板解析度有比較大的差異。FlexPai與Mate X採用的是外折方式,Galaxy Fold採用的是內折方式。兩者最大的差異在於面板在折疊處所受的應力大小,FlexPai跟Mate X的外折設計,其曲折半徑遠大於Galaxy Fold內折的半徑。當面板彎折,曲率半徑越小,則面板所受的應力越大,在這麼大的應力反覆彎折下,維持顯示器的光電特性不會衰減,在元件設計、材料選用上都是極大的挑戰,由此看來,Galaxy Fold的面板在可撓性上勝出。 面板解析度與製程能力有極大的關係,製程能力包括設備的能力與生產管理的能力。在OLED面板業,三星持續開發投入的時間最長,配合開發的設備廠也在三星帶領下累積豐富的經驗,這些都可呈現在解析度差異上。 外折設計還會面臨刮、磨的問題。過去玻璃蓋板承載著防刮、耐磨、甚至有防眩、抗反射、抗汙等功能,玻璃本身就非常硬,可以耐磨、耐刮,但改成可撓的塑膠蓋板後,耐磨、耐刮就面臨極大挑戰,外折設計,面板磨刮的機率高,因此面板蓋板的耐磨刮保護極為關鍵,從材料發展的角度來看,符合高柔性、高透光、耐磨刮特性的塑膠材料應用,外折疊的手機面板恐怕是第一個,因此,外折手機的產品耐用度,有待實際用戶的考驗。 綜觀軟性OLED在技術的難度,Galaxy Fold克服了內折小曲率彎曲的技術問題,並以內折設計來降低了耐磨刮的挑戰,而FlexPai選擇元件應力挑戰較寬鬆的大曲率彎曲外折設計,但磨刮問題則有待產品的市場考驗。 折疊手機是OLED與LCD技術發展的分水嶺,從產品的角度來看,折疊手機是否給用戶帶來全新的體驗見仁見智,但是從技術的角度來看,顯示器技術突破玻璃基材不可撓曲的特性,從折疊到卷曲的發展指日可待。 (本文作者陳來成博士為艾圖雅科技總經理,專長為柔性光電與柔性顯示技術,在台灣光電業界有數十年資歷)
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